JP4270973B2 - 軽金属合金鋳包み性に優れたバルブシート用鉄系焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、内燃機関用のバルブシートに係り、とくに内燃機関（エンジン）のシリンダヘッドに鋳包まれて使用されるバルブシート用鉄系焼結体に関する。

バルブシートは、燃焼ガスのシールとバルブを冷却する役割を担ってエンジンのシリンダヘッドに圧入されて使用されてきた。しかし、圧入されたバルブシートは、実際にはシリンダヘッドの全ての面と接触しているわけではなく、接触が不十分なものとなっている。

このような問題に対し、例えば、特許文献１には、エンジンのシリンダヘッドを鋳造すると同時にバルブシートを鋳包み、バルブシートとシリンダヘッドとを溶着した鋳鉄製シリンダヘッドが提案されている。

最近は、エンジンの軽量化および放熱性を高める目的から、軽金属合金の一種である、アルミニウム合金製のエンジンが一般化しつつある。そして、このようなアルミニウム合金製シリンダヘッドに鉄系焼結合金製のバルブシートを鋳包んで装着することが実用化されつつある。例えば、特許文献２には、排気系のバルブシートと吸気系バルブシートとをおのおの耐衝撃性に富む鉄系焼結合金で形成させるとともに、プラグシートを伝熱性に富む鉄系焼結合金で形成させ、これらを互いに一体的に結着した状態で鋳込み結着するエンジンのシリンダヘッドの製造方法が提案されている。

しかしながら、特許文献２等に記載された技術では、バルブシートとシリンダヘッドとが金属的に結合されておらず、バルブシートとシリンダヘッドとの間に隙間が存在する場合が多い。このため、熱伝導性が低下してバルブシート温度を低下することができないとともに、バルブシートとシリンダヘッド間の接合強度が低下するという問題があった。

このような問題に対し、例えば、特許文献３には、バルブシート表面に、好ましくはバルブシートおよびシリンダヘッドと親和性の良い金属をコーティングしたのち、フッ化物系フラックスを塗布して鋳ぐるむ、エンジンバルブシートの鋳ぐるみ方法が提案されている。
特開昭52-122712 号公報 特開昭58-74266号公報 特開平８-232616 号公報

しかしながら、特許文献３に記載された技術では、バルブシート表面に金属や特殊なコーティングを施す必要があり、製造工程が複雑となり製造コストが高騰するという問題があった。

本発明は、このような従来技術の問題を解決し、軽金属合金で鋳包んでも容易に脱落しない高い接合強度を保持できる、バルブシート用鉄系焼結体を提案することを目的とする。

本発明者らは、上記した課題を達成するために、バルブシートの材質を軽金属合金との接合性（以下、「軽金属合金鋳包み性」ともいう）に優れたものとするために、鋭意検討した。その結果、バルブシートをCuを含有する鉄系焼結体製とし、該鉄系焼結体の組織を基地中に遊離Cu相が分散した組織とすることにより、バルブシートの軽金属合金鋳包み性が向上し、軽金属合金との接合強度が顕著に向上することを見出した。

本発明は、上記した知見に基づき、さらに検討を加えて完成されたものである。すなわち、本発明の要旨はつぎのとおりである。
（１）質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％、Cu：５〜40％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、体積率で５〜50％の空孔を含み基地中に面積率で２〜35％の遊離Cu相が分散した組織とを有し、軽金属合金に鋳包まれて使用されることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結体。
（２）（１）において、前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有することを特徴とするバルブシート用鉄系焼結体。
（３）（２）において、前記遊離Cu相が遊離Cu合金相であることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結体。

本発明によれば、バルブシートを鋳包んでなる軽金属合金製シリンダヘッドを製造可能とする、軽金属合金鋳包み性に優れたバルブシート用鉄系焼結体を、安価にしかも安定して製造でき、産業上格段の効果を奏する。

本発明におけるバルブシート用鉄系焼結体は、質量％で、Cu：５〜40％を含み、さらに質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％を含み、あるいはさらに、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有し、残部Feおよび不可避的不純物からなる基地組成を有する焼結体である。

まず、鉄系焼結体基地組成の限定理由について説明する。以下、組成における質量％は単に％と記す。

Cu：５〜40％
Cuは、固溶して焼結体の強度を増加させるとともに、遊離Cu相として基地中に析出する。遊離Cu相は、鉄系焼結体が軽金属合金で鋳包まれた際に軽金属合金と反応し金属間化合物を形成し、鉄系焼結体と軽金属合金との密着性を良くする。Cu含有量が５％未満では遊離Cu相の析出が認められず、所望の接合強度を確保することができない。一方、40％を超えて含有すると、強度等の機械的特性が低下する。このため、Cuは５〜40％の範囲に限定した。なお、好ましくは10〜30％である。

Ｃ：0.1 〜2.0 ％
Ｃは、焼結体の強度、硬さを増加させる元素であり、 本発明では強度確保のために、0.1 ％以上含有する。一方、2.0 ％を超えて含有すると炭化物が粗大化し、却って被削性が低下する。このため、Ｃは0.1 〜2.0 ％に限定した。

Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下
Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖは、いずれも焼結体の強度を増加し、さらに、耐摩耗性や高温特性を向上させる作用を有する元素であり、必要に応じ１種または２種以上含有できる。これら元素の含有量が合計で50％を超えると、成形性が低下し強度が低下する。

本発明の鉄系焼結体の基地組成では、上記した成分以外、残部はFeおよび不可避的不純物である。

また、本発明の鉄系焼結体は、上記した基地組成を有するとともに、さらに、空孔と基地中に分散した遊離Cu相とを有する組織とする。

基地中に分散する遊離Cu相は、面積率で２〜35％とすることが好ましい。基地中に遊離Cu相が多数分散していることにより、鋳包まれたときに、軽金属合金の溶湯と遊離Cu相とが反応して金属間化合物を形成するため、高い密着性が得られる。なお、遊離Cu相は、Cu-Ni 合金、Cu-Co 合金等の遊離Cu合金相としてもよい。遊離Cu相が２面積％未満と少ないと、Cuと軽金属合金（例えばアルミニウム合金）との金属間化合物の形成が少なく密着性が低下する。一方、35面積％を越えて多くなると、硬さが著しく低下し、耐摩耗性が低下する。

また、鉄系焼結体は、空孔を含むが、空孔率を５〜50体積％とすることが好ましい。空孔率が５体積％未満では加圧成形時に多大の成形圧力を必要とし、生産性が低下するとともに、軽金属合金溶湯の溶浸が不足し、接合強度が低下する。一方、50体積％を越えると、鉄系焼結体の強度が低下する。なお、本発明における空孔率は、アルキメデス法により測定した密度から換算した値（体積％）を用いるものとする。

また、本発明の鉄系焼結体は、上記した組成の基地中に、被削性改善のため、被削性改善用微細粒子を分散させることが好ましい。分散させる被削性改善用微細粒子としては、MnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF₂、BNおよびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じ選択して含有できる。

また、基地中に分散させる被削性改善用微細粒子は、粒径：150 μm 以下の微細粒子とすることが好ましい。微細粒子の粒径が150 μm を超えると、境界強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μｍである。

また、多孔質金属焼結体の基地中に分散させる被削性改善用微細粒子の含有量は、0.1 〜５質量％とすることが好ましい。被削性改善用微細粒子の含有量が、0.1 質量％未満では被削性改善の効果が認められない。一方、５質量％を越えて含有すると、基地との密着強度が低下する。このため、粒径：150 μm 以下の被削性改善用微細粒子は、0.1 〜５質量％の範囲で含有することが好ましい。

次に、本発明の鉄系焼結体の製造方法について、説明する。

原料とする鉄系粉末と、銅粉末と、黒鉛粉末と、潤滑剤粉末と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子とを混合し混合粉としたのち、これら混合粉を金型に装入して加圧成形して圧粉体とし、ついでこれら圧粉体を焼結して焼結体とする。

原料として使用する銅粉は、純銅粉、銅合金粉を用いることが好ましい。銅粉は混合粉（鉄系粉、銅粉、合金元素粉、黒鉛粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量に対し）中のCu含有量が、質量％で５〜40％となるように添加する。Cu含有量が５質量％未満では遊離Cu相の析出が認められない。一方、40質量％を超えると、強度等の機械的特性が低下する。このため、銅粉は、混合粉中のCu含有量が５〜40質量％となるように配合する。なお、好ましくは10〜30質量％である。

黒鉛粉は、鉄系焼結体の強度を増加させる合金元素として必要に応じ添加する。このためには、混合粉（鉄系粉、銅粉合金元素粉、黒鉛粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量に対し）中のＣ含有量が2.0 質量％以下となるように、調整して添加することが好ましい。

また、潤滑剤粉末は、圧粉成形時の成形性を向上し、成形体強度を増加させるために混合粉中に含有される。潤滑剤粉末としては、ステアリン酸亜鉛等が好ましい。なお、混合粉中の潤滑剤粉末の混合量は、混合粉全量（鉄系粉、銅粉、合金元素粉、黒鉛粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量100 重量部）に対し、0.2 〜2.0 重量部とすることが好ましい。

本発明では、上記した鉄系粉末、銅粉末、黒鉛粉末、潤滑剤粉末に加えてさらに、混合粉には、被削性改善のために、被削性改善用微細粒子粉末を含有することができる。被削性改善用微細粒子粉としては、MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトのうちから選ばれた１種または２種以上とすることが好ましい。MnS 、CaF₂、BN、およびエンスタタイトはいずれも、被削性を改善する粒子であり、必要に応じて選択して含有できる。また、混合粉に添加する被削性改善用微細粒子粉は、粒径：150 μm 以下の微細粒子粉とすることが好ましい。微細粒子粉の粒径が150 μm を超えると、境界強度が低下する。なお、好ましくは５〜100 μm である。混合粉中に被削性改善用微細粒子粉を含有する場合には、被削性改善用微細粒子粉の含有量は混合粉全量（鉄系粉、銅粉、合金元素粉、黒鉛粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し0.1 〜５質量％とすることが好ましい。0.1 質量％未満では、被削性改善効果が少なく、一方、５質量％を超えると境界強度が低下する。

また、本発明では、上記した混合粉に、さらに合金元素粉として、Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉あるいはNi、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちの１種または２種以上を含むFe基合金粉、あるいはFe-Mo 硬質粒子粉、Cr-Mo-Co-Si 系硬質粒子粉、Ｃ-Cr-Ｗ-Co 系硬質粒子粉を、単独または複合して、混合粉全量（鉄系粉、銅粉、合金元素粉、黒鉛粉、被削性改善用微細粒子粉の合計量）に対し、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上が合計で50％以下含有するように配合することが好ましい。Ni粉、Co粉、Cr粉、Mo粉、Ｗ粉、Si粉、Ｖ粉あるいはFe基合金粉あるいは硬質粒子粉はいずれも、耐摩耗性向上のために配合するもので、合計で50質量％以下、好ましくは２質量％以上となるように配合することが好ましい。配合量が２質量％未満では、上記した効果が顕著に認められず、一方、50質量％を超えて配合すると、成形性が劣化する。なお、配合量は、鉄系粉、銅粉、合金元素系粉、黒鉛粉、被削性粉改善用粉の合計量に対する質量％で表す。

なお、混合方法は、とくに限定する必要はないが、Ｖミルを用いることが経済上から好ましい。

上記した混合粉を、金型に装入し加圧成形して所定形状の圧粉体とする。なお、圧粉体の密度が6.3 〜7.3 g/cm³ となるように、加圧成形条件を調整することが好ましい。混合粉の成形方法は、特に限定されないが、プレス等を用いることが好ましい。

ついで、圧紛体を1100〜1200℃で焼結して焼結体とする。

なお、焼結雰囲気は還元雰囲気とすることが焼結促進の観点から好ましい。

本発明における鉄系焼結体は、バルブシートの形状に加工され、エンジンのシリンダヘッド用鋳型の対応部位に装着される。その鋳型内に軽金属合金（例えば、アルミニウム合金）溶湯を注入し、例えば、低圧ダイキャストして、バルブシートが鋳包れたシリンダヘッドとすることができる。本発明のバルブシート用鉄系焼結体を使用すれば、シリンダヘッドとバルブシートとの境界が隙間なく密着し、接合強度が向上し、使用中の脱落等の事故は皆無となる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明する。

鉄基粉末としての純鉄粉あるいは合金鋼粉と、銅粉としての純銅粉あるいはさらに合金元素粉（合金粉）と、黒鉛粉と、潤滑剤粉末としてのステアリン酸亜鉛粉と、あるいはさらに被削性改善用微細粒子粉を、混合し混練して混合粉とした。混合粉における各粉末の配合量を表１に示す。

これら混合粉を金型に充填し成形プレスにより面圧：500 〜600MPaで加圧成形して、バルブシート（寸法：φ30^mm×φ24^mm×7.0 ^mm）形状の圧粉体とした。得られた圧粉体密度を測定し表１に示す。

ついで、圧粉体を、真空中で1160℃×30min の焼結を施し焼結体とした。

得られた焼結体の組成、空孔率、焼結後の密度、遊離Cu量を測定し、表２に示す。なお、密度はアルキメデス法で測定し、得られた密度から、空孔率（体積率）に換算した。また、遊離Cu量は、焼結体の断面について、EPMAにより観察し、画像解析ソフトにより遊離Cu相の存在比率（面積％）を求めた。

これら焼結体を切削・研削加工により、所定の寸法のバルブシートとし、シリンダヘッド相当鋳型の所定部位に装着した。ついで該鋳型にアルミニウム合金溶湯を注入し、低圧ダイカストし、バルブシートが鋳包まれたシリンダヘッド相当材とした。なお、比較として、焼結体に代えて、溶製バルブシートを同様に鋳包んだ。

また、比較例として、一部の鉄系焼結体を加工して得られたバルブシートおよび鋳鉄製バルブシートをシリンダヘッド相当材に圧入した。

図２に示すように抜き治具３を用いて、鋳包んだバルブシートおよび圧入したバルブシート１を押圧して、シリンダヘッド２から離脱する時の抜き荷重Ｌを測定した。なお、圧入した溶製バルブシート（試料No.8）の場合の抜き荷重を基準（100 ）として、接合性を評価した。得られた結果を表２、および図１に示す。

本発明例は、いずれも溶製バルブシートを圧入した場合と同等以上の高い抜き荷重を示し、接合性が高いことがわかる。一方、本発明範囲を外れる比較例では低い抜き荷重しか示さず、接合性が低下している。なお、溶製バルブシートを鋳包んだ場合は、圧入した場合にくらべ抜き荷重は低下している。

実施例における抜き荷重の変化を示すグラフである。 バルブシートの抜き荷重測定方法を模式的に示す説明図である。

符号の説明

１ バルブシート
２ シリンダヘッド
３ 抜き治具

Claims (3)

1. 質量％で、Ｃ：0.1 〜2.0 ％、Cu：５〜40％を含み、残部Feおよび不可避的不純物からなる組成と、体積率で５〜50％の空孔を含み基地中に面積率で２〜35％の遊離Cu相が分散した組織とを有し、軽金属合金に鋳包まれて使用されることを特徴とするバルブシート用鉄系焼結体。
2. 前記組成に加えてさらに、質量％で、Ni、Co、Cr、Mo、Ｗ、Si、Ｖのうちから選ばれた１種または２種以上を合計で50％以下含有することを特徴とする請求項１に記載のバルブシート用鉄系焼結体。
3. 前記遊離Cu相が遊離Cu合金相である請求項２に記載のバルブシート用鉄系焼結体。

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